螺筒加热新技术 - 文章

螺筒加热新技术

作者：宾西法尼亚州纽卡斯尔市Xaloy公司来源：国际塑料商情

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本文将加热圈的能量效率和控制响应情况，与一项新技术进行了比较，这项新技术使用非接触感应方式，通过一个插入的保温层直接加热螺筒。对来自试验室注塑成型机操作和试验室台架试验的定量结果进行了讨论。本文还考虑了螺筒直径、表面条件和加热圈类型对效率和控制响应的影响，同时考虑了热电偶深度的影响。

背景

过去20年，电动注塑机已经显著改善了注塑机的能量效率。现在，随着这项技术得到广泛接受，面对日益升高的能源成本，注塑行业必须探索出节约能源的新方法，才能在全球有一席之地，将生产成本降下来。

熔体料流的加热，特别是螺筒的加热，出现了一个具有吸引人的机遇。人们很清楚传统筒式加热技术的效率低下。加热圈消耗的能量中，通常有30%和70%是通过辐射和与周围环境的对流浪费掉的。消除这些能量损失，将降低能量消耗比率（即千瓦/千克产品），使用同一能量传输设施能够将机器更快预热，因而能够减少停机才能提高生产效果。

加热圈的固有特性也妨碍对温度控制的响应，从而限制了对部件与部件之间质量均匀性的改进，限制了使转换时间最小化的努力。在加热螺筒之前必须首先将加热圈的温度升至螺筒温度之上，相反地，在冷却螺筒之前，必须首先将加热圈的温度降至螺筒温度以下。因此，加热圈的蓄热（质量×热容）和加热器与螺筒之间的接触热阻明显提高了熔流的热惯性。

最近，引入了质量更低的辐射加热元件作为替代，这使注塑行业中越来越多的人重新认识到了改进机器的机会。

另外一项有明显优点的新技术是非接触感应加热。人们考虑使用螺旋感应线圈的螺筒加热已有数十年之久，但应用情况欠佳。过去人们经常努力使用效率低下的低频率电源，总是将线圈直接与螺筒进行接触，这就破坏了感应的那些具有吸引力的优点。螺筒中生成的热量仍会向周围环境扩散，而且线圈的蓄热也没能通过散热被排除。与热螺筒的接触也增加了线圈的电阻，从而进一步破坏了效率的提高。

新型螺筒感应加热技术

INDX TM 螺筒加热法（专利申请中）使用优化的高频率电源，在螺筒与线圈之间使用一个插入的保温层，以此来解决上述问题，利用感应加热的全部潜力。所有的热量都是在螺筒内直接生成的，而且一直保留在工艺过程中。也消除了线圈的蓄热，线圈的电阻损失也可以忽略不计，这样，外表面就凉得可能触摸。螺筒加热效率接近100%，对温度控制的响应也得到了显著改善。

已进行和计划进行的试验概况

使用台架试验装置与实验室注塑机生产过程相结合的方法进行了各种测试，定量确定能量效率的提高情况和工艺控制的改进情况。这里提供了试验结果的一个样品。其它实验室测试正在进行中和设计中，并且受到一系列生产型机器所受到的同样的监控。

用两种方法评估了加热系统的效率。第一种，对实验室注塑机的加热圈和感应加热，比较了它们加热同样材料和生产量所要求的加热系统能量。使用两种不同的螺杆类型从多种材料以相同的速度生产出相同的零件。然后，对加热圈和感应，将台式螺筒部分的瞬时热量输入速度（用放置在螺筒壁内的系列热电偶进行测量）与瞬时电源消耗进行了比较。两种测试均观察了控制响应的特点。在注塑机测试过程中，使用了相同的自动调谐控制器来控制加热圈和感应，使产生的控制间隔时间和熔流温度变化可比。在台式螺筒分段测试中，对加热圈和感应，比较了加热设备打开和关闭时，执量输入和除去、输入和输出测试螺筒的滞后效应。

注塑机测试步骤

测试是在东芝注塑机上进行的，其螺筒内径为36毫米，外径为90毫米，使用三个250毫米长的温度控制区。每个带式加热区包括四个MICA 型加热圈，其消耗的功能大约为3200瓦/区。每个感应区包括一个螺旋形线圈组成，线圈由能提供2,000瓦电源的专用反向变流机供电。螺旋形线圈绕在一个带槽的塑料盘绕套管上，套管围绕在一层19毫米厚的矿棉隔热管理体上，隔热管插在套管与螺筒之间。

将11个沿螺筒长度排列的裸露热电偶安装在20毫米深的导热水泥里。其中三个集中于三个感应区，用于控制。采用普通的开关控制原理图，其中使用了三个普通的自动调谐PID控制器。

由多种不同材料为原料（ABS、聚丙烯、低密度聚乙烯和高密度聚乙烯），采用两种不同的螺杆类型，以30秒的循环周期生产了一个40克的零件。加热圈的感应测试使用相同的感应区测试调节点。每次测试都用手动方法检查出口熔流温度，以确保质量均匀。

通过监测单段（加热圈）和三段（感应）电流引出，跟踪加热系统的电流消耗，间歇地测量电源电压和功率因数（感应）。采用福禄克（Fluke）数据采集系统每间隔1秒钟测量一次温度和电流。

通过比较稳态生产条件下加热圈和感应的电耗，来评估加热系统的相对效率。保持吸入压力不变，假设熔流的粘性热和螺筒到机器外壳的传导热损失也保持恒定。通过计算11个螺筒温度的时域标准偏差，评价工艺的变异性。

螺筒分段测试步骤

使用12个沿每个螺筒中心轴线纵向安装的12个热电偶，在两个螺筒分段尺寸进行了测试。这些热电偶成对安装在6个递增的深度，安装过程是从外表面到内腔。在每种螺筒规格上，进行如下MICA型和陶瓷型加热圈试验：

● 89mm外径×38 内径×368 长度(3.5"×1.5×14.5) ;
● 四个直径为50mm，功率为650瓦的MICA型加热圈 ;
● 四个直径为50mm，功率为1500瓦的陶瓷型加热圈 ;
● 203mm外径×89内径×622长度(8"×3.5×24.5) ;
● 八个直径为50mm，功率为650瓦的MICA型加热圈 ;
● 六个直径为50mm，功率为2000瓦的陶瓷型加热圈。

螺筒段的钻孔和端部都加上保温，以限制对圆柱形外筒表面或加热圈自身的热损失。通过监测单相和三相电流消耗，并且间歇地测量供电电压和功率因数，再次跟踪记录加热系统功率消耗。使用福禄克（Fluke）数据采集系统，以0.1秒的时间间隔测量安培数和温度。

通过计算在每个时间增量内螺筒段内能的变化，评估作为操作温度一个函数的加热圈效率（使用六个环形元件的简单有限差分析）。在螺筒和加热器都是新的时候（因此，产生辐射热损失的最少），首先使用MICA型加热圈进行试验，然后大约六个小时之后重复，一旦螺筒和表面严重褪色和颜色变深（在使用大约六个小时之后），最后，在涂刷螺筒和加热器表面成为哑光的黑色之后，以使得辐射热损失最大化。

在试验的感应加热方案中，使用了一个真空成形的、带有螺旋槽的保温套，定做的低电阻感应电缆插入螺旋槽内。重新使用一个高频逆变换器，为感应线圈提供电能。感应加热试验期间的输出功率，调节到等于以前加热圈提供给螺筒的热量提供速度。这样做，因此在加热圈和感应加热之间所观察到的温度响应时间差异，将主要是因为提供给螺筒热量的方式（而并非是提供的数量多少，因为数量仍然保持为大约是常数）。

注塑机试验结果

如图1所示，感应功率消耗平均值是生产期间加热圈功率消耗的31％，平均的各区功率分布如图2所示。

图1. 螺筒加热功率消耗（瓦/Fusion TM型螺杆）图2. 螺筒加热功率消耗（瓦/通用型螺杆）

对于感应加热器和加热圈，采用多个不同控制间隔稳定自动调谐PID控制器的情况，如图3所示。使用感应加热器，每个周期温度控制都能够迅速平衡，这是由于进入材料内冷却的影响。这是因为在测量深度的螺筒温度，比引入的冷材料，更快速受到了感应的影响。通过比较，在短周期间隙之内，加热圈不能显著地影响螺筒温度，因此，PID控制不得不以非常长的间隔时间循环，以产生一个较大和较缓慢的，并且因此可区分的反馈温度变化。

图3. 螺杆温度与时间曲线（采用Fusion TM型螺杆）

图4表明螺筒温度均匀性随着位置而变化，对图3和图4的检查表明，它与功率大小和加入材料的接近度成正比。图4中，（使用通用型螺杆和Fusion TM螺杆得到的）两条感应曲线的比较证明，通过螺杆设计，可以进一步优化熔融料流的均匀性。

图4. 螺筒温度差异与位置的关系图

螺筒段试验结果

实验台的试验结果补充并且有助于说明注塑机试验得到的结果。图5显示，在常用的200-300℃加工范围内，加热圈的加热效率对于MICA型加热器可能下降40到60％之间，并且比陶瓷型加热器高10-15％。此外，随着加工温度上升，对环境的辐射和对流损失增加，效率将进一步下降。曲线图描绘的结果还显示，加热圈的效率将随着时间的过去而下降，因为它们和螺筒颜色变深并且因为使用而发生氧化，随着表面发射系数上升而增加了辐射损失。

图5. 加热圈效率与螺筒温度关系图

螺筒部分试验解释了为什么在注塑机试验期间，感应加热更好。图6显示，把能量输入到外径89mm螺筒时，使用感应加热时几乎是立即完成，当关闭电源时，输入到螺筒的热量立即停止。此外，因为到环境的热量损失无足轻重，功率输入从不是负的。

图6. 热量流入/流出螺筒（外径89mm螺筒）

通过比较，使用MICA型加热器时，热量输入速率达到最大值需要花费超过两分钟，对于陶瓷型加热器，花费大约5分钟。同样地，关闭电源时，加热器不再加热螺筒之前，MICA型加热器需要费时超过一分钟，对于陶瓷型加热器，费时大约3分钟。发生这些滞后是因为，加热圈加热螺筒之前必须加热本身，其次，螺筒能够冷却之前它们必须冷却。

对于加热圈，由于在整个螺筒壁的热滞后差异，使得控制挑战看来似乎更复杂。在打开和关闭电源时，在螺筒壁的一个深度上温度可能上升，同时在另一个深度上可能下降。这些现象如图7所示，在“A”时关闭电源，但是一直到“B”时，整个螺筒壁才开始冷却。正如所料，陶瓷型加热圈的时滞“A－B”最大，它为系统加入了最多的蓄热物质；感应加热圈最小，基本上没有蓄热物质（螺筒本身，实际上变成自己的保温加热元件）。值得注意的是，感应加热穿过螺筒壁的温度差很小，因此，与加热圈相比较，感应加热的控制性能对热电偶深度也更不敏感。

图7. 螺筒温度响应（外径89mm螺筒）

结论

使用带有插入保温层的感应式螺筒加热，提高了螺筒的加热效率，从加热圈的通常为40到60％，增加到接近于100％。

通过几乎消除了加热系统的蓄热物质，感应加热加快了温度响应（从使用加热圈的数分钟，到使用感应加热的数秒钟），改善了控制的可预测性，并降低了控制性能对热电偶深度的敏感性。

感谢Robert A. Sickles Jr.和 Luke M. Miller在整个试验室试验期间做出的重要贡献。

参考文献
1. C. Rauwendaal, Polymer Extrusion, Hanser Publishers, NY, 1986
2. E. Steward; W. A. Kramer, Air vs. Water Cooled Single Screw Extruders, ANTEC 2003
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4. E. J. Davies; P. G. Simpson, Induction Heating Handbook, McGraw-Hill Companies, 1978
5. US Patent 5403540; Brundage et al
6. US Patent 7041944; Pilavdzic et al
7. B. V. Karlekar; R. M. Desmond, Engineering Heat Transfer, West Publishing Company, 1977
8. Baumeister, Anallone, and Baumeister, Marks′ Standard Handbook for Engineers, McGraw-Hill Book Company, Eighth Edition; Page 7-64 (end)

文章内容仅供参考 (投稿) (7/17/2008)


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